卜容燕，韓 上，程文龍，胡 潤，朱 勤，李 敏，王 慧，唐 杉，武 際*

（1．安徽省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料研究所/養(yǎng)分循環(huán)與資源環(huán)境安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230031；2．池州市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所，安徽 池州 247100）

近年來，隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，人們對(duì)優(yōu)質(zhì)稻米的需求進(jìn)一步提高。稻米的品質(zhì)除了受水稻基因型和氣候條件影響外，肥料的影響不可忽視，尤其是氮肥的投入［1-3］。傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)在生產(chǎn)中過度依賴化學(xué)肥料，不僅帶來了較多的資源浪費(fèi)，還造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染問題［4］。因此，如何通過合理的施肥來實(shí)現(xiàn)水稻產(chǎn)量、品質(zhì)和肥料利用效率的同步提升是目前亟須解決的問題。

紫云英是傳統(tǒng)的稻田豆科綠肥，在我國南方稻作區(qū)，利用冬閑田種植紫云英不僅可以充分地利用光熱資源［5］，還可以利用其生長過程中的生物固氮作用補(bǔ)充土壤氮庫，具有培肥土壤的作用［6-7］。紫云英植株含有豐富的氮素，翻壓還田后能釋放大量的養(yǎng)分供下季水稻吸收利用［8］。Cai等［9］對(duì)紫云英體內(nèi)的氮來源進(jìn)行定量化研究發(fā)現(xiàn)，有78%的氮素來自生物固氮，翻壓還田后帶入土壤的氮素高達(dá)93 kg/hm2。不同于化學(xué)氮肥，Zhu等［10］研究指出紫云英腐解釋放的氮更能匹配水稻氮素需求，因此，在稻田系統(tǒng)種植利用紫云英，可在保障水稻產(chǎn)量的同時(shí)適當(dāng)減少化學(xué)氮肥投入，具有較高的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益［11］。

氮素作為植物體內(nèi)重要的組成成分，不僅影響水稻的產(chǎn)量，對(duì)優(yōu)質(zhì)稻米的形成也是至關(guān)重要的［12］。長期以來，國內(nèi)外在施肥對(duì)稻米品質(zhì)方面進(jìn)行了大量研究，尤其是在氮肥方面開展的研究相對(duì)較多。如張洪程等［13］、劉代銀等［14］的研究均表明增施氮肥有利于提高稻米加工、營養(yǎng)和食味品質(zhì)。在不同氮肥種類方面，侯均昊等［15］研究表明，緩控釋肥通過緩慢釋放養(yǎng)分滿足作物不同生長期養(yǎng)分需求來提高稻米的外觀和營養(yǎng)品質(zhì)。周江民［16］研究表明，適宜有機(jī)肥和無機(jī)肥配施下稻米品質(zhì)更佳。以上研究均表明氮肥用量和氮肥種類對(duì)稻米品質(zhì)具有明顯的影響，然而目前關(guān)于種植利用紫云英替代部分氮肥對(duì)稻米品質(zhì)影響的研究鮮見報(bào)道。隨著人們對(duì)優(yōu)質(zhì)稻米的需求不斷增加，明確紫云英替代部分氮肥對(duì)稻米品質(zhì)的影響具有重要意義。為此，本文利用已有的定位試驗(yàn)研究紫云英替代部分氮肥對(duì)水稻產(chǎn)量、氮素吸收、氮肥利用率和品質(zhì)的綜合影響，以期為優(yōu)質(zhì)水稻的生產(chǎn)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

供試田塊位于安徽省池州市貴池區(qū)（30°38′8′′N，117°24′34′′ E），該地區(qū)屬于典型的北亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，年平均降水量1600 mm，年平均日照時(shí)數(shù)1800 h，年平均氣溫16.5℃；供試土壤屬于河流沖積物發(fā)育的水稻土，質(zhì)地為黏土。試驗(yàn)前土壤基本理化性質(zhì)為：有機(jī)質(zhì)20.2 g/kg、全氮1.3 g/kg、有效磷13.1 mg/kg、速效鉀62.4 mg/kg、pH 6.10、土壤容重1.25 g/cm3。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

田間試驗(yàn)開始于2017年，本研究選取了其中的6個(gè)處理，分別為：（1）冬閑，水稻季不施氮肥（簡稱-N）；（2）冬閑，水稻季施常規(guī)氮肥（202.5 kg/hm2）（簡稱100% N）；（3）種植利用紫云英，水稻季不施氮肥（簡稱GM）；（4）種植利用紫云英，水稻季施40%常規(guī)氮肥（簡稱GM+40%N）；（5）種植利用紫云英，水稻季施60%常規(guī)氮肥（簡稱GM+60% N）；（6）種植利用紫云英，水稻季施80%常規(guī)氮肥（簡稱GM+80% N）。所有處理紫云英不施肥，水稻季均施用75 kg/hm2磷肥和150 kg/hm2鉀肥。每個(gè)處理設(shè)3次重復(fù)，小區(qū)面積為20 m2，隨機(jī)區(qū)組排列。水稻季氮肥分基肥、分蘗肥和穗肥3次施用，施用比例分別為50%、20%和30%。各處理磷肥和鉀肥均一次性基施。紫云英采用撒播的方式播種，播種量為30 kg/hm2。次年水稻移栽前20～25 d翻壓，鮮紫云英翻壓量控制在20000～22500 kg/hm2之間。如果當(dāng)年紫云英生長量不足20000 kg/hm2，則進(jìn)行補(bǔ)充；如果紫云英鮮草量超過22500 kg/hm2，則刈割移出。通過養(yǎng)分測(cè)定，2017～2020年每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)每年紫云英帶入的氮量為51.5～55.9 kg/hm2。水稻采用育秧移栽，移栽密度為20萬蔸/hm2。氮、磷、鉀肥分別為尿素（N 46%）、過磷酸鈣（P2O512%）和氯化鉀（K2O 60%）。紫云英品種為“弋江籽”，水稻品種為當(dāng)?shù)氐闹魍破贩N“晶兩優(yōu)華占”。田間管理按照常規(guī)的栽培技術(shù)要求進(jìn)行，病蟲害及雜草的防治同當(dāng)?shù)剞r(nóng)田管理措施一致。

1.3 測(cè)定指標(biāo)及方法

氮素含量：每季水稻收獲當(dāng)天在每個(gè)小區(qū)隨機(jī)選擇6株水稻地上部樣品，分籽粒和莖稈于105℃殺青30 min，然后所有樣品經(jīng)過60℃烘干磨細(xì)過篩，用于氮素含量測(cè)定。采用濃H2SO4-H2O2消化后用凱氏定氮法測(cè)定氮含量［17］。

外觀品質(zhì)：水稻成熟期時(shí)在每個(gè)小區(qū)隨機(jī)選取代表性植株6蔸，脫粒后采用水漂法選出飽粒，使用礱谷機(jī)出糙后，計(jì)算糙米率；然后使用精米機(jī)（LTJM-2099，浙江托普儀器公司，杭州）出精，計(jì)算精米率；使用稻米外觀品質(zhì)檢測(cè)儀（JMWT12，北京東孚久恒儀器技術(shù)有限公司，北京）測(cè)定稻米堊白粒率和堊白度。

營養(yǎng)品質(zhì)：整精米磨成粉末。稻米直鏈淀粉含量按NY/T 2639-2014《稻米直鏈淀粉含量的測(cè)定 分光光度法》方法測(cè)定［18］。蛋白質(zhì)含量按GB 5009.5-2016《食品中蛋白質(zhì)的測(cè)定方法》［19］方法測(cè)定。微波消解后采用ICP-MS型電感藕合等離子質(zhì)譜儀（美國Thermo Fisher Scientific公司）測(cè)定稻米礦質(zhì)元素（鋅、鎂、鐵、銅和錳）含量。

水稻產(chǎn)量：各個(gè)小區(qū)單打單收測(cè)產(chǎn)。

1.4 計(jì)算方法

氮肥利用率（REN，%），反映了作物對(duì)施入土壤中肥料氮的回收效率，即REN=（U-U0）/F×100，其中，U、U0分別為施氮、不施氮時(shí)作物收獲期地上部總吸氮量，F(xiàn)代表氮肥投入量。

1.5 數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2016和SPSS 17.0進(jìn)行分析整理，并采用最小顯著性法（LSD）檢驗(yàn)數(shù)據(jù)的差異顯著性（P＜0.05），采用Origin 2017進(jìn)行一元二次肥料效應(yīng)方程擬合，所有圖形均用Origin 2017進(jìn)行繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施肥處理對(duì)水稻產(chǎn)量、氮素吸收和氮肥利用率影響

2.1.1 產(chǎn)量

不同處理下的水稻產(chǎn)量如表1所示。不施氮肥處理（-N）的水稻產(chǎn)量最低，為6313 kg/hm2。常規(guī)施氮處理（100% N）水稻產(chǎn)量為9266 kg/hm2，比不施氮肥處理增產(chǎn)46.8%。種植利用紫云英，水稻季不施氮肥處理，水稻產(chǎn)量為7005 kg/hm2，比不施氮肥處理增產(chǎn)11.0%（P＜0.05）。種植利用紫云英的基礎(chǔ)上，水稻產(chǎn)量隨著氮肥用量（N 81～162 kg/hm2）的增加表現(xiàn)為逐漸增加的趨勢(shì)，增幅為28.8%～49.6%。在種植翻壓紫云英的基礎(chǔ)上減施40%化學(xué)氮肥后水稻產(chǎn)量與常規(guī)施氮處理無顯著差異，但是當(dāng)?shù)视昧康陀诔Ｒ?guī)氮肥用量40%后水稻產(chǎn)量顯著降低，降幅為7.9%（P＜0.05）。

2.1.2 氮素吸收

不同施肥處理對(duì)水稻氮素吸收影響較大（表1）。所有施肥處理水稻籽粒和秸稈氮素積累量均顯著高 于-N處理（P＜0.05）。其中100% N和GM+80% N處理氮素總吸收量最高，分別為156.7和157.2 kg/hm2。其次是GM+60% N處理，為147.2 kg/hm2，比100% N處理 低6.5%（P＜0.05）。從 水稻不同部位氮素分配角度分析可知，GM+60% N處理籽粒氮素吸收量占總吸收量的比例最大，為65.3%；其次是GM+80% N處理，為63.1%。雖然100% N處理水稻氮素總吸收量較高，但是籽粒氮素吸收量占總吸收量的比例為61.3%，低于種植利用紫云英處理，說明種植利用紫云英配施適宜的氮肥用量有利于促進(jìn)水稻籽粒氮素的吸收。

2.1.3 氮肥利用率

不同施肥處理對(duì)水稻季氮肥利用率具有明顯影響（表1）。100% N處理氮肥利用率為33.0%。在種植利用紫云英的基礎(chǔ)上，水稻季氮肥利用率為36.8%～41.7%，均顯著高于100% N處理（P＜0.05）。以上表明種植利用紫云英有利于提高水稻季氮肥利用率。

表1 不同施肥處理對(duì)水稻產(chǎn)量、氮素吸收和氮肥利用率的影響

2.2 不同施肥處理對(duì)稻米品質(zhì)的影響

2.2.1 稻米加工和外觀品質(zhì)

表2表明不同處理對(duì)稻米加工和外觀品質(zhì)有明顯的影響。與-N處理相比，施肥處理均能提高稻米的糙米率、精米率和整精米率，降低了稻米的堊白度，對(duì)堊白粒率影響不顯著。其中單施化肥處理稻米的糙米率、精米率和整精米率分別增加2.4%、1.1%和4.1%，堊白度下降6.3%。種植利用紫云英配施60%、80%化學(xué)氮肥處理稻米的糙米率、精米率和整精米率均高于單施化肥處理，堊白度低于單施化肥處理。這表明種植利用紫云英的基礎(chǔ)上配施合理的氮肥可以有效地改良稻米的加工和外觀品質(zhì)。

表2 不同施肥處理對(duì)稻米的加工和外觀品質(zhì)的影響 （%）

2.2.2 稻米直鏈淀粉和蛋白質(zhì)含量

由圖1可知，不同施肥處理稻米的直鏈淀粉含量為13.3%～17.6%。不施肥處理稻米的直鏈淀粉含量最高，施肥均不同程度降低了稻米的直鏈淀粉含量，降幅為17.6%～24.7%，達(dá)到顯著水平。從不同施肥處理看，種植利用紫云英基礎(chǔ)上配施化學(xué)氮肥處理有利于降低稻米的直鏈淀粉含量，降幅為3.7%～8.4%，GM、GM+40% N和GM+60% N 3個(gè)處理的稻米直鏈淀粉含量最低。

圖1 不同施肥處理對(duì)稻米的直鏈淀粉和蛋白質(zhì)含量的影響

與直鏈淀粉含量變化趨勢(shì)不同，不施肥處理稻米蛋白質(zhì)含量最低，施肥均不同程度地增加了稻米的蛋白質(zhì)含量?？傮w上表現(xiàn)為隨著氮肥用量的增加表現(xiàn)為增加的趨勢(shì)。其中GM+80% N和100% N處理稻米蛋白質(zhì)含量差異不顯著，分別為78.4%和77.8%。

2.2.3 稻米礦質(zhì)元素含量

由表3可知，不同施肥處理下稻米鈣、鎂、鐵、鋅含量的變化趨勢(shì)一致，與-N處理相比，施氮后稻米鈣、鎂、鐵、鋅含量增加。100% N處理較-N處理，其鈣、鎂、鐵、鋅的含量分別顯著提高23.5%、8.8%、3.1%、1.2%。種植利用紫云英可以提高稻米鈣、鎂、鐵、鋅的含量，其中以GM+80% N處理增幅最大，其鈣、鎂、鐵、鋅的含量較-N處理分別顯著提高了41.3%、24.9%、12.7%、4.9%；較100% N處理分別顯著提高了14.4%、14.8%、9.4%、3.7%。

表3 不同施肥處理稻米鈣、鎂、鐵、鋅含量的影響 （mg/kg）

3 討論

3.1 不同施肥處理對(duì)水稻產(chǎn)量、氮素吸收和氮肥利用率的影響

本試驗(yàn)結(jié)果表明，在經(jīng)過了4年種植利用紫云英后，化學(xué)氮肥用量減量40%下水稻產(chǎn)量不減產(chǎn)。這個(gè)結(jié)果與高嵩涓等［11］研究結(jié)果相似。紫云英是典型的豆科綠肥，可以通過與根瘤菌共生固定大氣中氮?dú)猓?，20］，楊璐［21］研究表明紫云英體內(nèi)有59%～85%的氮來自生物固氮。在紫云英-水稻輪作系統(tǒng)中，紫云英于盛花期翻壓還田后可釋放其體內(nèi)積累的氮素供下茬水稻吸收利用。在本試驗(yàn)條件下，通過對(duì)紫云英的生物量和氮積累量進(jìn)行估算可知，每年紫云英還田生物量在20000～22500 kg/hm2之間，帶入的氮量為51.5～55.9 kg/hm2，這部分帶入的氮是增加水稻產(chǎn)量和氮素吸收的重要原因。另外，長期紫云英還田，有利于改善土壤肥力［22-23］。一方面大量的紫云英還田可以增加土壤的有機(jī)碳輸入，增加土壤養(yǎng)分含量［24］；另一方面低碳氮比的有機(jī)物料還田可以增加土壤微生物的多樣性和豐富度，改善土壤氮素的有效性［25］。有研究認(rèn)為，紫云英還田后釋放的氮素比化學(xué)氮肥更匹配水稻氮營養(yǎng)的需求［10］。氮同位素示蹤試驗(yàn)結(jié)果表明，紫云英還田后，水稻體內(nèi)有25%～45%的氮素來源于紫云英［26］，因此，紫云英是水稻很好的養(yǎng)分來源。除此之外，紫云英腐解初期會(huì)固定土壤中過多的氮素，減少氮素?fù)p失，這部分被固定的氮素在水稻生育后期可以釋放供水稻吸收利用［27］。本試驗(yàn)結(jié)果也表明，種植利用紫云英的基礎(chǔ)上配施適宜的氮肥可以提高水稻季氮肥利用效率，經(jīng)過了4年紫云英翻壓還田后，可以替代水稻季40%的化學(xué)氮肥，有利于水稻節(jié)肥增效。

3.2 不同施肥處理對(duì)稻米品質(zhì)的影響

稻米的品質(zhì)除受遺傳因素調(diào)控外，其生育過程中施肥措施會(huì)對(duì)稻米品質(zhì)產(chǎn)生較大的影響［28］。大量研究表明在作物生長過程中氮素營養(yǎng)狀況是決定作物產(chǎn)量和品質(zhì)的關(guān)鍵因素之一［29-30］。孟琳等［31］研究認(rèn)為有機(jī)肥替代10%～20%化學(xué)氮肥用量，可以改善土壤氮素供應(yīng)過程，為水稻的生長持續(xù)提供養(yǎng)分，從而提高了水稻的產(chǎn)量和品質(zhì)。俞衛(wèi)星等［32］和李武等［33］研究也表明，與速效化學(xué)氮肥施用相比，緩釋氮肥施用更有利于提高稻米品質(zhì)。在水稻生長前期施氮主要影響水稻分蘗數(shù)和單位面積穗數(shù)；水稻生長后期施氮主要是影響水稻的產(chǎn)量和品質(zhì)［34］。已研究指出紫云英僅生物固氮就能為下茬水稻提供24～55 kg/hm2的氮素營養(yǎng)［35］。Singh等［26］研究發(fā)現(xiàn)水稻體內(nèi)有25%～45%的氮素來源于豆科氮素。Zhu等［10］研究指出紫云英釋放的氮素能更好地匹配水稻的氮素需求。除此之外，在改善土壤碳庫和氮庫的同時(shí)，長期紫云英還田也帶來了大量的磷、鉀和其他的中微量元素等養(yǎng)分，從而促進(jìn)了水稻的生長和養(yǎng)分吸收，提高了稻米的品質(zhì)［36］。種植利用紫云英的基礎(chǔ)上，合理減施化學(xué)氮肥能確保水稻各個(gè)時(shí)間養(yǎng)分穩(wěn)定供應(yīng)，提高了水稻籽粒產(chǎn)量和改善了稻米品質(zhì)。本研究中氮肥類型和用量均會(huì)對(duì)稻米品質(zhì)指標(biāo)產(chǎn)生不同程度的影響，種植利用紫云英后有利于改善稻米品質(zhì)，但與100% N處理相比，種植紫云英后，配施的化學(xué)氮肥用量不足時(shí)對(duì)稻米的加工品質(zhì)影響不大，但不利于稻米的外觀品質(zhì)和營養(yǎng)品質(zhì)。這與唐繼偉等［2］研究結(jié)果一致，無論是有機(jī)肥氮還是化學(xué)氮肥，適宜氮肥用量條件下稻米品質(zhì)較好，氮肥用量不足或者過量均不利用稻米品質(zhì)。當(dāng)達(dá)到一定氮用量時(shí)，適宜的有機(jī)無機(jī)配施更有利于提高水稻的品質(zhì)。在本研究中，GM+80% N處理稻米加工品質(zhì)、外觀品質(zhì)和營養(yǎng)品質(zhì)最佳；其次是GM+60% N處理。其中GM+60% N處理稻米的糙米率、精米率、整精米率、堊白粒率、直鏈淀粉、鈣、鎂、鐵和鋅含量與GM+80% N處理差異不顯著；但堊白度和蛋白質(zhì)含量顯著低于GM+80% N處理（P＜0.05）；當(dāng)化學(xué)氮肥用量低于60%常規(guī)氮肥用量時(shí)，水稻的產(chǎn)量和品質(zhì)均受到不同程度的影響。這說明首先要保障作物的氮素需求，然后進(jìn)行合理的有機(jī)無機(jī)配施才是改善水稻品質(zhì)的關(guān)鍵。梁琴等［36］研究也表明綠肥配施適量的氮肥有利于提高稻米的整精米率。因此在本試驗(yàn)條件下，在種植利用紫云英的基礎(chǔ)上減施40%化學(xué)氮肥較為合適，有利于水稻獲得高產(chǎn)和改善稻米品質(zhì)。

4 結(jié)論

4年田間定位試驗(yàn)研究表明，在長期種植利用紫云英的基礎(chǔ)上，適量減水稻季化學(xué)氮肥用量對(duì)水稻產(chǎn)量、氮素吸收、氮肥利用率和品質(zhì)均具有顯著的影響。與常規(guī)施氮處理相比，在種植利用紫云英的基礎(chǔ)上，水稻季減施40%化學(xué)氮肥不會(huì)降低水稻的產(chǎn)量，有利于提高水稻季氮肥利用率和稻米的糙米率、精米率、整精米率、鈣、鎂、鐵及鋅含量，降低了堊白度、直鏈淀粉和蛋白質(zhì)含量。綜合考慮作物的產(chǎn)量、氮肥利用率和品質(zhì)效應(yīng)，在本試驗(yàn)條件下，種植利用紫云英、水稻季氮肥減施40%比較適宜，有利于水稻節(jié)肥增效并獲得優(yōu)質(zhì)稻米。